Еще лет двадцать назад,
когда речь заходила о силовых трансформаторах, то, как правило, имелись в виду
силовые масляные трансформаторы. А ведь исторически первыми были «сухие».
В Интернете, в печатных СМИ
периодически появляются публикации, в которых противопоставляются масляные и
сухие силовые трансформаторы. «ИЛИ-ИЛИ» - так можно кратко резюмировать суть
этих статей. А ведь та или иная конструкция, тот или иной технический объект
появляется на свет как ответ технического интеллекта на вызов потребностей
общества. И масляные, и сухие трансформаторы появились в результате развития
электротехники как составного компонента научно-технического прогресса.
Немного истории. Как
известно, первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 г.
для освещения Лондонского метрополитена [1, 2]. Длина линии при этом
составляла ~ 23 км. Напряжение повышалось до 1,5 кВ с помощью трансформаторов,
которые были созданы в 1882 г. Л. Голяром и Д.
Гиббсом во Франции. На деревянной подставке укреплялось несколько индукционных
катушек, магнитопровод был разомкнутым, первичные
обмотки соединялись последовательно. Вторичная обмотка была секционирована, и
каждая секция имела по два вывода для подключения приемников. Для регулирования
напряжения на вторичных обмотках использовались выдвижные сердечники.
Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, и
их первичные обмотки включены параллельно. Первый патент на
такие трансформаторы получил венгерский электротехник М. Дери (в феврале 1885
г.). Наиболее совершенные однофазные трансформаторы (без
больших электромагнитных потерь, с замкнутым магнитопроводом)
были сконструированы венгерскими
инженерами М. Дери (1854-1934), О. Блати (1860-1939)
и К. Циперновским (1853-1942). Именно эти
специалисты впервые применили термин «трансформатор». Они предложили также три
модификации трансформаторов, которые применяются до настоящего времени:
кольцевой, броневой и стержневой. Такие трансформаторы серийно выпускались
электромашиностроительным заводом «Ганц и К0» в Будапеште.
Все упомянутые выше
трансформаторы были «сухого» типа, т. е. охлаждение обмоток при работе
трансформатора происходило за счет естественной воздушной конвекции - «сухим»
способом.
Масляный трансформатор
предложил швед Д. Свинберн в 1889 г., поместив
обмотки в керамический сосуд с маслом. В 1891 г. на заводе «Эрликон» (в Швейцарии) был изготовлен первый масляный
трансформатор на высокое по тому времени напряжение 30 кВ.
Необходимо отметить, что
все описанные выше изобретения представляли собой однофазные электрические
машины.
В 1889 г. выдающийся
русский ученый и изобретатель М.О. Доливо-Добровольский
в результате исследований пришел к связным трехфазным системам и изобрел
трехфазный трансформатор. Аналогичные работы велись и в Европе, где в 1893 г. в
Швеции была запущена одна из первых коммерческих трехфазных линий
электропередачи.
Первая половина XX в. -
это мировой экономический кризис и Вторая мировая
война. Поэтому начавшееся в конце XIX - начале XX в. бурное развитие и
совершенствование электрооборудования, распределительных электрических сетей
продолжилось уже в послевоенные годы.
При этом в СССР началом
производства силовых трансформаторов можно считать 1928 г., когда начал
работать Московский трансформаторный завод (впоследствии - Московский
электрозавод). В этот период производились и эксплуатировались в основном
силовые масляные трансформаторы, поскольку их конструкция обеспечивала более
мощный отвод тепла и поэтому не ограничивала мощность трансформаторов.
Хотя маломощные
однофазные сухие трансформаторы применялись в устройствах радиотехники,
автоматики, сигнализации, связи и т. п. еще в первой половине прошлого века,
технология производства силовых сухих трехфазных трансформаторов, предназначенных
для преобразования электроэнергии в электросетях и электроустановках, была
разработана намного позднее - в последней трети прошлого века.
Подробное описание
конструкции различных типов сухих силовых трансформаторов, а также их
преимущества и недостатки описаны подробно в статьях [4-7].
Можно выделить два
основных типа сухих силовых трансформаторов (помимо того, что обмотки
изготавливаются либо из меди, либо из алюминия): с литой изоляцией и воздушно-
барьерной изоляцией (открытые обмотки).
На современном этапе
развития сухих трансформаторов используется заливка изготовленных обмоток
эпоксидными компаундами. Подобные трансформаторы выпускаются
как за рубежом, так и в России и странах СНГ (МЭТЗ им. В. И. Козлова, РБ; ЗАО «Трансформер», г. Подольск, Московская обл.; ГК «СВЭЛ», г.
Екатеринбург, и другие). Существует две технологии изготовления сухих
силовых трансформаторов с литой изоляцией: 1)
вакуумная технология;
2) ровинговая технология.
При производстве сухих
трансформаторов по вакуумной
технологии готовые обмотки трансформатора заливают в вакууме
эпоксидным компаундом с кварцевым наполнителем (т. н. геафоль),
процесс подготовки которого также происходит в вакууме. До конца 1950 г.
прошлого века повсеместно применялась технология заливки высоковольтных обмоток
сухих трансформаторов эпоксидной смолой в воздухе. В соответствии с этой
технологией обмотки высокого напряжения пропитывались изоляционным
диэлектриком, а затем осуществлялась их сушка. Высоковольтные обмотки
трансформатора, залитые по такой технологии, имели низкое качество, поскольку в
составе катушек имелись различные примеси и микропоры, заполненные воздухом,
что во многих случаях приводило к повышенным значениям частичных разрядов,
быстрому старению изоляции, снижению срока службы трансформатора, а в
некоторых случаях могло вызвать даже аварийный пробой изоляции. Простота
технологии изготовления пропитанных в воздухе обмоток приводила также и к
другим, крайне нежелательным, последствиям: обмотки подвергались увлажнению и
абсорбции влаги, что опять-таки вызывало поверхностные разряды и ускоренное
старение изоляции; трансформаторы с такими обмотками не обладали необходимой
механической прочностью, стойкостью к токам короткого замыкания и были
достаточно громоздкими.
Вакуумная технология
заливки обмоток трансформаторов, пришедшая на смену заливке обмоток в воздухе,
позволила полностью исключить из состава изоляции различные примеси и газовые
микропоры, значительно улучшила диэлектрическую прочность изоляции по отношению
к частичным разрядам. Обработанные по этой технологии обмотки получались
закрытыми со всех сторон эпоксидной оболочкой толщиной от 5 до 20 мм, что
придавало им необходимую жесткость, защищало от влаги и воздействия агрессивной
среды. Конструкция и технология производства сухих трансформаторов на самом
высоком техническом уровне были разработаны известной фирмой TRAFO-UNION, которая продала свою
лицензию многим фирмам. Таким образом, вакуумная технология заливки обмоток
распространилась на многие трансформаторные заводы и к середине 1970 г. стала
господствующей при производстве эпоксидных трансформаторов.
Трансформаторы,
изготовленные по описанной выше вакуумной технологии, считались безотказными в
любых условиях эксплуатации, даже в самых
экстремальных. Но по мере увеличения количества трансформаторов в эксплуатации
стали выявляться следующие недостатки: образование трещин в эпоксидном корпусе
обмотки при перегрузке порядка 60-80% номинальной мощности трансформатора,
первоначально находившегося в холодном состоянии, или при охлаждении обмоток
отключенного трансформатора до температуры ниже -15... - 20°С;
образование трещин было вызвано тем, что при резких перепадах температур быстро
нагревающийся материал обмотки (медь) разрывал эпоксидно-кварцевый корпус
обмотки; недостаточная стойкость к динамическим усилиям короткого замыкания;
обмотки высокого и низкого напряжения составляют два независимых цилиндра
обмоток, механическая прочность крепления которых в некоторых случаях
оказывается недостаточной.
В результате исследований
фирмой ABB была
разработана новая технология производства трансформаторов с литой изоляцией:
путем герметизации слоевых обмоток с использованием чистой смолы и
стеклонитей. Идея блочной обмотки заключается в том, что обмотки низкого и
высокого напряжения, связанные друг с другом посредством реек из
стеклопластика, образуют единый твердый блок. Используя заполнение
стекловолокном приблизительно на 80% и оптимальным образом сочетая
поперечные и крестообразные направления стекловолокон в процессе намотки,
удается получить блок обмоток с высокой механической прочностью, что исключает
любое перемещение обмоток под действием поперечных или продольных сил. Это
приводит к высокой устойчивости при коротких замыканиях и стабильности технических
характеристик при воздействиях низких и высоких температур.
По данным ABB, за 20 лет эксплуатации в
этих трансформаторах ни разу не было обнаружено растрескивания. В 1990 г. в
компании «Электрофизика», г. С.-Петербург, был освоен выпуск сухих
трансформаторов с открытой обмоткой (с воздушно-барьерной изоляцией), где
основной изоляцией является изоляция проводов обмотки. В таких трансформаторах
с открытыми обмотками, пропитанными смолой компании «Дюпон» методом вакуум-давления с последующей ее
полимеризацией при высокой температуре, достигается прочное изоляционное
покрытие катушек толщиной до 0,2 мм, которое гарантирует надежный уровень
изоляции и защиту от воздействия окружающей среды и одновременно не
препятствует эффективному охлаждению. Применение в производстве катушек
изоляции типа NOMEX класса
нагревостойкости 220° С
определяет высокую стойкость трансформаторов к постоянным нагрузкам. К
преимуществам такой конструкции относятся: отсутствие проблем увлажнения,
отсутствие деградации изоляции во времени с сохранением электродинамической
стойкости, пожаробезопасность, отсутствие
эксплуатационных затрат и др.
Общей проблемой сухих
трансформаторов является ограничение их максимальной мощности, обусловленное
условиями охлаждения. До недавнего времени считалось, что предельная мощность
для сухих трансформаторов составляет 15 МВ·А. По данным концерна ABB, в настоящее время уже
выпускаются сухие трансформаторы типа Resibloc мощностью
до 40 МВ·А, и в дальнейшем компания собирается довести это значение до 60 МВ·А.
Перспективы развития
конструкции сухих силовых трансформаторов рассмотрены в статье [8].
Применительно к сухим трансформаторам наибольший интерес представляет
следующая новация: новый тип трансформатора - Dryformer, разработанный
компанией ABB. Это
так называемый кабельный трансформатор. Обмотки трансформатора, который
является по сути именно сухим, выполняются из кабеля. Внутри обмотки пучок
многожильного провода (медный или алюминиевый) заключен в тонкий слой
полупроводящего материала (для исключения неравномерности поля из-за многослойности). Все это заключается в полиэтилен, толщина
которого выбирается из соображений электрической прочности (практически
достижим уровень напряжения 220 кВ). Наружная оболочка-экран, выполненная
также из полупроводящего материала, заземляется на каждом витке вдоль обмотки,
т. е. электрическое поле полностью заключено внутри твердого диэлектрика. Так
как трансформатор имеет воздушное охлаждение, то отсутствие масла, а также
снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным
трансформатором, устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при
повреждении трансформатора. Это дает возможность применять такие трансформаторы
в местах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически
охраняемых регионах. Повышается также безопасность эксплуатации для персонала.
Для такого трансформатора не нужны вводы высокого напряжения, поскольку кабель
просто протягивается к распределительному устройству. Принципиально Dryformer снижает
общие потери в сети благодаря тому, что его можно установить как угодно близко
к месту нагрузки. Перегрузочная способность обычного трансформатора ограничена
термостойкостью маслобумажной изоляции и сроком службы масла. Для Dryformer перегрузка
ограничена не старением изоляции, а снижением механической прочности обмотки,
изолированной полиэтиленом при повышении температуры. Другим недостатком такого
трансформатора является высокая цена (примерно вдвое выше, чем у традиционной
конструкции). Первый в мире силовой трансформатор без масла, с обмоткой
кабельного типа, разработанный для установки в помещении, имеет мощность 20
МВ·А.
Библиографический
список
1.
Веселовский
О.Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории
электротехники. - М.: МЭИ, 1993.
2.
Кулик
Ю.А.
Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1965.
3.
Фогельсберг Т., Карлссон А. Трансформаторы в
истории человечества. О силовых трансформаторах компании ABB // ABB Ревю.
- 2007. - № 3.
4.
Васильев
С.
Будущее за сухими трансформаторами // Новости электротехники. - 2002. - 3. -
С. 40-41.
5.
Постников
С. Трансформаторная триальность //
Новости электротехники. - 2002. - 3. - С. 42-43.
6.
Федотов
М.
Сухие силовые трансформаторы для работы в тяжелых климатических условиях //
Новости электротехники. - 2002. - 3. - С. 44.
7.
Кравченко
А. Н.
Сухие силовые трансформаторы // Электрик. - 2006. - № 7-8. - С. 6.
8.
Белкин
Г. С., Дробышевский А. А., Ивакин В.Н. и др. Перспективные виды
электротехнического оборудования // Электротехника. - 2006. - № 9. - С. 2-9.
9.
Зубарьков А.А. Инструкция для покупателя
// Энергонадзор. - 2012. - № 1-2. - С.50-51.
10.Савинцев Ю.М.
Плановое развитие рынка силовых трансформаторов: утопия или необходимость //
Электротехнический рынок. - 2011. - № 1-2.-С. 39-41.